Árva gyerekként önképzéssel szerezte ismereteit. Egy szerencsés kimenetelű baleset hívta fel rá Miksa bajor választófejedelem, valamint Utzschneider figyelmét, a München melletti Benediktbeuern szekularizált bencés apátságában működő optikai intézetet vezette. Fraunhofer 1818-ban az Intézet vezetője lett. Fraunhofer számos műszert és eszközt fejlesztett lencsék készítésére alkalmas üvegfajták előállítására, valamint lencsék csiszolására. Különféle üvegfajták fényelhajlító tulajdonságait tanulmányozva homogén fény előállítására törekedett. Ő találta fel a spektroszkópot, mellyel képes volt a fény hullámhosszát megmérni. Ugyancsak ő konstruálta meg a mikrométert is. A Nap színképének vizsgálata során fedezte fel a ma Fraunhofer-féle vonalaknak nevezett sötét vonalakat. Elsőként alkalmazta széleskörűen az optikai rácsot. Fölismerte azt is, hogy egyes elsőrendű csillagok színképe különbözik a Napétól. Ezzel a csillagászati spektroszkópia elindítója is lett. A dorpati csillagvizsgáló számára készített refraktor és a berlini obszervatórium számára készített heliométer korának technikai csúcsteljesítményei voltak. A müncheni Akadémia rendkívüli tagjának választotta.